Física Computacional - Computational physics

A física computacional é o estudo e implementação da análise numérica para resolver problemas da física para os quais já existe uma teoria quantitativa . Historicamente, a física computacional foi a primeira aplicação dos computadores modernos na ciência e agora é um subconjunto da ciência computacional . Às vezes é considerada uma subdisciplina (ou ramificação) da física teórica , mas outros a consideram um ramo intermediário entre a física teórica e a experimental - uma área de estudo que suplementa tanto a teoria quanto o experimento.

Visão geral

Uma representação da natureza multidisciplinar da física computacional como uma sobreposição da física, matemática aplicada e ciência da computação e como uma ponte entre elas.

Na física, diferentes teorias baseadas em modelos matemáticos fornecem previsões muito precisas sobre como os sistemas se comportam. Infelizmente, é comum que não seja viável resolver o modelo matemático de um sistema específico para produzir uma previsão útil. Isso pode ocorrer, por exemplo, quando a solução não possui uma expressão de forma fechada ou é muito complicada. Nesses casos, aproximações numéricas são necessárias. A física computacional é o assunto que lida com essas aproximações numéricas: a aproximação da solução é escrita como um número finito (e normalmente grande) de operações matemáticas simples ( algoritmo ), e um computador é usado para realizar essas operações e calcular uma solução aproximada e respectivo erro .

Status em física

Há um debate sobre o status da computação dentro do método científico. Às vezes, é considerado mais semelhante à física teórica; alguns outros consideram a simulação por computador como " experimentos de computador ", outros ainda a consideram um ramo intermediário ou diferente entre a física teórica e a experimental , uma terceira forma que suplementa a teoria e o experimento. Embora os computadores possam ser usados ​​em experimentos para medição e registro (e armazenamento) de dados, isso claramente não constitui uma abordagem computacional.

Desafios em física computacional

Em geral, os problemas de física computacional são muito difíceis de resolver com exatidão. Isso se deve a várias razões (matemáticas): falta de solvabilidade algébrica e / ou analítica, complexidade e caos. Por exemplo, - mesmo problemas aparentemente simples, como calcular a função de onda de um elétron orbitando um átomo em um campo elétrico forte ( efeito Stark ), podem exigir grande esforço para formular um algoritmo prático (se for possível encontrá-lo); outras técnicas mais rudes ou de força bruta, como métodos gráficos ou localização de raízes , podem ser necessárias. No lado mais avançado, a teoria matemática da perturbação também é às vezes usada (um trabalho é mostrado para este exemplo particular aqui ). Além disso, o custo computacional e a complexidade computacional para problemas de muitos corpos (e suas contrapartes clássicas ) tendem a crescer rapidamente. Um sistema macroscópico normalmente tem um tamanho da ordem das partículas constituintes, por isso é um tanto problemático. Resolver problemas de mecânica quântica é geralmente de ordem exponencial no tamanho do sistema e para N-corpo clássico é de ordem N-quadrado. Finalmente, muitos sistemas físicos são inerentemente não lineares, na melhor das hipóteses, e, na pior, caóticos : isso significa que pode ser difícil garantir que quaisquer erros numéricos não cresçam a ponto de tornar a 'solução' inútil.

Métodos e algoritmos

Como a física computacional usa uma ampla classe de problemas, geralmente é dividida entre os diferentes problemas matemáticos que resolve numericamente ou os métodos que aplica. Entre eles, pode-se considerar:

Todos esses métodos (e vários outros) são usados ​​para calcular as propriedades físicas dos sistemas modelados.

A física computacional também empresta uma série de idéias da química computacional - por exemplo, a teoria do funcional de densidade usada por físicos computacionais de estado sólido para calcular propriedades de sólidos é basicamente a mesma usada por químicos para calcular as propriedades de moléculas.

Além disso, a física computacional engloba o ajuste da estrutura de software / hardware para resolver os problemas (já que os problemas geralmente podem ser muito grandes, na necessidade de poder de processamento ou nas solicitações de memória ).

Divisões

É possível encontrar um ramo computacional correspondente para cada campo importante da física, por exemplo, mecânica computacional e eletrodinâmica computacional . A mecânica computacional consiste em dinâmica de fluidos computacional (CFD), mecânica sólida computacional e mecânica de contato computacional . Um subcampo na confluência entre CFD e modelagem eletromagnética é a magneto-hidrodinâmica computacional . O problema quântico de muitos corpos leva naturalmente ao amplo e crescente campo da química computacional .

A física do estado sólido computacional é uma divisão muito importante da física computacional que lida diretamente com a ciência dos materiais.

Um campo relacionado à matéria condensada computacional é a mecânica estatística computacional , que lida com a simulação de modelos e teorias (como modelos de percolação e spin ) que são difíceis de resolver de outra forma. A física estatística computacional faz uso intenso de métodos do tipo Monte Carlo. Mais amplamente, (particularmente através do uso de modelagem baseada em agentes e autômatos celulares ) também se preocupa com (e encontra aplicação, através do uso de suas técnicas) nas ciências sociais, teoria das redes e modelos matemáticos para a propagação de doenças (mais notavelmente, o Modelo SIR ) e a propagação de incêndios florestais .

A relatividade numérica é um campo (relativamente) novo interessado em encontrar soluções numéricas para as equações de campo da relatividade geral (e especial), e a física de partículas computacional lida com problemas motivados pela física de partículas.

Astrofísica computacional é a aplicação dessas técnicas e métodos a problemas e fenômenos astrofísicos.

A biofísica computacional é um ramo da própria biofísica e da biologia computacional , aplicando métodos da ciência da computação e da física a grandes e complexos problemas biológicos.

Formulários

Devido à ampla classe de problemas que a física computacional lida, é um componente essencial da pesquisa moderna em diferentes áreas da física, a saber: física do acelerador , astrofísica , mecânica dos fluidos ( dinâmica dos fluidos computacional ), teoria do campo da rede / teoria do calibre da rede (especialmente rede chromodynamics quântica ), física de plasma (ver modelação do plasma ), simulando sistemas físicos (por exemplo, utilizando a dinâmica molecular ), códigos de computador de engenharia nuclear , a previsão da estrutura de proteínas , a previsão do tempo , física do estado sólido , de matéria condensada moles física, física impacto hypervelocity etc.

A física do estado sólido computacional, por exemplo, usa a teoria do funcional da densidade para calcular as propriedades dos sólidos, um método semelhante ao usado pelos químicos para estudar as moléculas. Outras grandezas de interesse na física do estado sólido, como a estrutura de banda eletrônica, propriedades magnéticas e densidades de carga podem ser calculadas por este e vários métodos, incluindo o método Luttinger-Kohn / kp e métodos ab-initio .

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos